CN111157609A - 基于正交分析的表面切向磁场高精度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于正交分析的表面切向磁场高精度测量系统及方法，系统包括上位机、任意函数发生器、双极性功率放大器、多通道数据采集卡和微磁检测传感器，所述微磁检测传感器进一步包括磁路调整装置，所述磁路调整装置为一对关于“U”形磁芯的中线相互对称且垂直于微磁检测传感器的测量面的硅钢片，位于“U”形磁芯的两极靴之间；所述磁路调整装置的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D的尺寸通过正交实验法确定，由此提高材料表面切向磁场的测量精度，为磁特征信号的准确提取提供了借鉴。

Description

基于正交分析的表面切向磁场高精度测量系统及方法

技术领域

本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及一种基于正交实验分析法,结合线性外推原理,对磁路调整装置进行优化设计的铁磁性材料表面切向磁场高精度测量系统及方法。

背景技术

微磁检测技术作为评估材料缺陷损伤、力学性能等的重要无损检测技术之一，其基本原理为对试件进行磁化处理后提取磁特征信号，来间接反映材料状态。切向磁场强度作为多种磁特征信号(磁滞回线、增量磁导率等)的解析标度，其测量精度直接影响微磁检测结果的准确性。

确定铁磁性试件表面的切向磁场是一个非常困难的问题，目前存在两种基本方法，一是通过测量励磁电流计算磁场强度，得到励磁源的磁场总输出，此方法适用于封闭的环状试件，而对于板状试样计算值要远大于试件表面磁场强度真实值；二是将磁敏元件放置在试件表面进行测量，但磁敏感区域与试件表面存在一定距离，且易受到磁场梯度变化影响，故此种方法测量值和真实值仍存在较大偏差。线形外推法可以通过测量不同提离处的切向磁场强度反推试件表面磁场强度,但受限于被检区域磁场空间梯度变化大以及线性度低的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的一个目的是提供一种基于正交分析的表面切向磁场高精度测量系统，用于提高微磁检测中磁特征信号的准确性。

本发明的另一个目的是提供一种基于正交分析的表面切向磁场高精度测量方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种铁磁性材料表面切向磁场高精度测量系统，包括上位机1、任意函数发生器2、双极性功率放大器3、多通道数据采集卡12和微磁检测传感器7，微磁检测传感器7包括“U”形磁芯5、缠绕在“U”形磁芯5上的激励线圈4和多个由上至下等间距地设置在“U”形磁芯5中线上的霍尔元件。

所述微磁检测传感器7进一步包括磁路调整装置6，所述磁路调整装置6为一对关于“U”形磁芯5的中线相互对称且垂直于微磁检测传感器7的测量面的硅钢片，位于“U”形磁芯5的两极靴之间。

所述磁路调整装置6的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D的尺寸通过正交实验法确定，具体包括如下步骤。

步骤1、采用多物理场耦合有限元仿真软件，分别设置“U”形磁芯5的电导率、相对介电常数和相对磁导率，磁路调整装置6的电导率、相对介电常数、相对磁导率，以及待测试件8的长、厚、电导率、相对介电常数和相对磁导率，采用自适应算法，对激励线圈4、待测试件8、“U”形磁芯5、磁路调整装置6和背景区域进行自由三角网格划分，并对“U”形磁芯5内跨距间的空气区域进行精密网格划分，计算得到的空间磁场分布。

步骤2、定义目标函数F＝R²/k，式中，F为正交实验评价指标，其中R²为线性程度，k为变化速率；采用正交实验分析法，建立正交表L_n(t^q)，式中，L为正交表符号；n为实验次数，即正交表行数；t为因素的水平数，即一列中出现不同数字的个数；q为最多能安排的因素数，即正交表的列数，包括板高A、间距B、厚度C和提离距离D四个因素；依据步骤1得到的空间磁场分布，先后对正交表中n组仿真模型进行计算，得到磁芯内跨距中心的切向磁场强度分布数据，借助matlab中内嵌的cftool工具，用一次方程y＝kx+b对切向磁场强度分布数据进行线性拟合，式中，x为距离待测试件8表面的垂直距离，y为对应的切向磁场强度，b为待测试件8表面x＝0mm时的切向磁场强度，得到切向磁场强度沿垂直方向分布的变化速率k以及线性程度R²，最终统计得到优化指标值F；从而确定磁路调整装置6的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D。

所述微磁检测传感器7包括三个霍尔元件，分别为：第一霍尔元件9、第二霍尔元件10和第三霍尔元件11。

一种利用所述的测量系统的铁磁性材料表面切向磁场高精度测量方法，所述方法包括如下步骤：

S1、通过正交实验法确定微磁检测传感器7中磁路调整装置6的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D；具体过程包括：

步骤1、采用多物理场耦合有限元仿真软件，分别设置“U”形磁芯5的电导率、相对介电常数和相对磁导率，磁路调整装置6的电导率、相对介电常数、相对磁导率，以及待测试件8的长、厚、电导率、相对介电常数和相对磁导率，采用自适应算法，对激励线圈4、待测试件8、“U”形磁芯5、磁路调整装置6和背景区域进行自由三角网格划分，并对“U”形磁芯5内跨距间的空气区域进行精密网格划分，计算得到空间磁场分布。

步骤2、定义目标函数F＝R²/k，式中，F为正交实验评价指标，其中R²为线性程度，k为变化速率；采用正交实验分析法，建立正交表L_n(t^q)，式中，L为正交表符号；n为实验次数，即正交表行数；t为因素的水平数，即一列中出现不同数字的个数；q为最多能安排的因素数，即正交表的列数，包括板高A、间距B、厚度C和提离距离D四个因素；依据步骤1得到的空间磁场分布，先后对正交表中n组仿真模型进行计算，得到磁芯内跨距中心的切向磁场强度分布数据，借助matlab中内嵌的cftool工具，用一次方程y＝kx+b对切向磁场强度分布数据进行线性拟合，式中，x为距离待测试件8表面的垂直距离，y为对应的切向磁场强度，b为待测试件8表面x＝0mm时的切向磁场强度，得到切向磁场强度沿垂直方向分布的变化速率k以及线性程度R²，最终统计得到优化指标值F；从而确定磁路调整装置6的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D。

S2、使用步骤S1确定的微磁检测传感器7对待测试件8进行切向磁场测量。

所述方法能够降低切向磁场强度H_x沿y方向的变化速率，并提升切向磁场强度H_x沿y方向的线性程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于正交分析的表面切向磁场高精度测量系统及方法，提高微磁检测中磁特征信号的准确性，可以明显降低切向磁场强度H_x沿y方向的变化速率，也可以将切向磁场强度H_x沿y方向的线性程度从R²＝0.9949(无磁路调整装置)提升至R²＝0.9968。

附图说明

图1为本发明的基于正交分析的表面切向磁场高精度测量系统组成示意图；

图2为本发明的实施例采用多物理场耦合有限元仿真软件的网格划分示意图；

图3为本发明的实施例计算得到的空间磁场分布示意图；

图4为本发明实施例的具有磁路调整装置的切向磁场强度仿真计算结果与对比例的无磁路调整装置的切向磁场强度。

其中的附图标记为：

1 上位机

2 任意函数发生器

3 双极性功率放大器

4 激励线圈

5 “U”形磁芯

6 磁路调整装置

7 微磁检测传感器

8 待测试件

9 第一霍尔元件

10 第二霍尔元件

11 第三霍尔元件

12 多通道数据采集卡

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，为本发明的铁磁性材料表面切向磁场高精度测量系统，其基本原理为利用微磁检测传感器7同步获取铁磁性材料表面的不同提离处切向磁场电压信号，利用上位机1处理得到材料表面的切向磁场强度。

该测量系统包括上位机1、任意函数发生器2、双极性功率放大器3(型号KEPCOBOP100-4ML)、多通道数据采集卡12、微磁检测传感器7。

所述微磁检测传感器7包括“U”形磁芯5(外跨距L＝120mm，高度H＝80mm，内跨距为W＝60mm)、激励线圈4、第一霍尔元件9、第二霍尔元件10、第三霍尔元件11和磁路调整装置6。

任意函数发生器2与双极性功率放大器3连接，激励线圈4缠绕在U型磁芯5上并连接至双极性功率放大器3。

三个霍尔元件9、10、11与微磁检测传感器7底部之间的距离分别为3mm、8mm和13mm，磁路调整装置6为对称放置于“U”形磁芯5两极靴之间的硅钢片。利用任意函数发生器2产生正弦波激励信号，输入双极性功率放大器3，经功率放大后，输入激励线圈4以提供交变磁场。霍尔元件9、10、11分别由多通道数据采集卡12接收获取到的切向磁场强度电压信号，多通道数据采集卡12与上位机1相连，采集的电压信号传输至上位机1进行分析处理。

关于磁路调整装置6最优几何尺寸以及间距的设定，采用如下实施方案：在多物理场耦合有限元仿真软件COMSOL Multiphysics 5.0中，参照实际情况，设置“U”形磁芯5的电导率σ＝10S/m，相对介电常数ε＝1，相对磁导率μ_r＝8000。待测试件8的参数为：长150mm，厚3mm，电导率σ＝1.12e7S/m，相对介电常数ε＝1，相对磁导率μ_r＝300。磁路调整装置6的电导率σ＝1.7e6S/m，相对介电常数ε＝1，相对磁导率μ_r＝7000。采用自适应算法，对激励线圈4、待测试件8、“U”形磁芯5、磁路调整装置6和背景区域(即空气区域)进行自由三角网格划分，以及对“U”形磁芯5内跨距间的空气区域进行精密网格划分；网格划分结果如图2所示，并计算得到空间磁场分布，如图3所示。

关于磁路调整装置6的板高、板厚、间距、提离距离四个参量的最优值选取采用正交实验分析法，磁路调整装置6宽度设定为与“U”形磁芯5的方形极靴边长相等。为提高线性外推法的准确性，需要降低被检区域磁场空间梯度变化，提高线性度，综合考虑磁场分布规律的线性程度R²和变化速率k，定义目标函数F＝R²/k，以作为优化指标对磁路调整装置的几何参数进行优化选取。

正交实验分析法主要分以下两个步骤进行：

第一步，首先需选择合适的正交表，正交表记号为L_n(t^q)

式中，L为正交表符号，是Latin的第一个字母；

n为实验次数，即正交表行数；

t为因素的水平数；即一列中出现不同数字的个数；

q为最多能安排的因素数，即正交表的列数。

仿真实验中需要研究磁路调整装置6的板高A、间距B、板厚C、提离距离D四个因素，磁路调整装置参数的分析范围如下：板高A应大于第三霍尔元件11的提离距离，设置为19mm<A<27mm；两板间距内需放置霍尔元件9、10、11，其分析范围选取为40mm<B<48mm；磁路调整装置6为硅钢片，厚度分析范围0.15mm<C<0.55mm；提离距离D分析范围为0.1mm～0.5mm。确定的实验因素和水平见表1。

针对表1中的4因素数和5水平数，选用L₂₅(5⁴)正交表，采用正交实验分析法设计出25组仿真模型，具体参数组合见表2。

第二步，依据前述后获得的空间磁场分布，先后对表2所列的25组仿真模型进行计算，得到磁芯内跨距中心(如图3中白色实线所示)的切向磁场强度分布数据。借助matlab中内嵌的cftool工具，用一次方程y＝kx+b对切向磁场强度分布数据进行线性拟合，式中，x为距离待测试件8表面的垂直距离(0mm≤x≤15mm)，y为对应的切向磁场强度,b为待测试件(8)表面x＝0mm时的切向磁场强度，得到切向磁场强度沿垂直方向分布的变化速率k以及线性程度R²，最终统计得到优化指标值F。

如表2所示，第12组数据的F值最大，为0.0597，图4给出了有、无磁路调整装置时，切向磁场强度的分布计算结果。对比可以看出，具有优化参数的磁路调整装置6可以明显降低切向磁场强度H_x沿y方向的变化速率，也可以将切向磁场强度H_x沿y方向的线性程度从R²＝0.9949(无磁路调整装置)提升至R²＝0.9968。

表1

表2

Claims (4)

1.一种铁磁性材料表面切向磁场高精度测量系统，包括上位机(1)、任意函数发生器(2)、双极性功率放大器(3)、多通道数据采集卡(12)和微磁检测传感器(7)，微磁检测传感器(7)包括“U”形磁芯(5)、缠绕在“U”形磁芯(5)上的激励线圈(4)和多个由上至下等间距地设置在“U”形磁芯(5)中线上的霍尔元件，其特征在于：

所述微磁检测传感器(7)进一步包括磁路调整装置(6)，所述磁路调整装置(6)为一对关于“U”形磁芯(5)的中线相互对称且垂直于微磁检测传感器(7)的测量面的硅钢片，位于“U”形磁芯(5)的两极靴之间；

所述磁路调整装置(6)的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D的尺寸通过正交实验法确定，具体包括如下步骤：

步骤1、采用多物理场耦合有限元仿真软件，分别设置“U”形磁芯(5)的电导率、相对介电常数和相对磁导率，磁路调整装置(6)的电导率、相对介电常数、相对磁导率，以及待测试件(8)的长、厚、电导率、相对介电常数和相对磁导率，采用自适应算法，对激励线圈(4)、待测试件(8)、“U”形磁芯(5)、磁路调整装置(6)和背景区域进行自由三角网格划分，并对“U”形磁芯(5)内跨距间的空气区域进行精密网格划分，计算得到的空间磁场分布；

步骤2、定义目标函数F＝R²/k，式中，F为正交实验评价指标，其中R²为线性程度，k为变化速率；采用正交实验分析法，建立正交表L_n(t^q)，式中，L为正交表符号；n为实验次数，即正交表行数；t为因素的水平数，即一列中出现不同数字的个数；q为最多能安排的因素数，即正交表的列数，包括板高A、间距B、厚度C和提离距离D四个因素；依据步骤1得到的空间磁场分布，先后对正交表中n组仿真模型进行计算，得到磁芯内跨距中心的切向磁场强度分布数据，借助matlab中内嵌的cftool工具，用一次方程y＝kx+b对切向磁场强度分布数据进行线性拟合，式中，x为距离待测试件(8)表面的垂直距离，y为对应的切向磁场强度，b为待测试件(8)表面x＝0mm时的切向磁场强度，得到切向磁场强度沿垂直方向分布的变化速率k以及线性程度R²，最终统计得到优化指标值F；从而确定磁路调整装置(6)的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D。

2.根据权利要求1所述的铁磁性材料表面切向磁场高精度测量系统，其特征在于：所述微磁检测传感器(7)包括三个霍尔元件，分别为：第一霍尔元件(9)、第二霍尔元件(10)和第三霍尔元件(11)。

3.一种利用权利要求1所述的测量系统的铁磁性材料表面切向磁场高精度测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1、通过正交实验法确定微磁检测传感器(7)中磁路调整装置(6)的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D；具体过程包括：

步骤1、采用多物理场耦合有限元仿真软件，分别设置“U”形磁芯(5)的电导率、相对介电常数和相对磁导率，磁路调整装置(6)的电导率、相对介电常数、相对磁导率，以及待测试件(8)的长、厚、电导率、相对介电常数和相对磁导率，采用自适应算法，对激励线圈(4)、待测试件(8)、“U”形磁芯(5)、磁路调整装置(6)和背景区域进行自由三角网格划分，并对“U”形磁芯(5)内跨距间的空气区域进行精密网格划分，计算得到空间磁场分布；

步骤2、定义目标函数F＝R²/k，式中，F为正交实验评价指标，其中R²为线性程度，k为变化速率；采用正交实验分析法，建立正交表L_n(t^q)，式中，L为正交表符号；n为实验次数，即正交表行数；t为因素的水平数，即一列中出现不同数字的个数；q为最多能安排的因素数，即正交表的列数，包括板高A、间距B、厚度C和提离距离D四个因素；依据步骤1得到的空间磁场分布，先后对正交表中n组仿真模型进行计算，得到磁芯内跨距中心的切向磁场强度分布数据，借助matlab中内嵌的cftool工具，用一次方程y＝kx+b对切向磁场强度分布数据进行线性拟合，式中，x为距离待测试件(8)表面的垂直距离，y为对应的切向磁场强度，b为待测试件(8)表面x＝0mm时的切向磁场强度，得到切向磁场强度沿垂直方向分布的变化速率k以及线性程度R²，最终统计得到优化指标值F；从而确定磁路调整装置(6)的两片硅钢片的板高A、间距B、厚度C和提离距离D；

S2、使用步骤S1确定的微磁检测传感器(7)对待测试件(8)进行切向磁场测量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法能够降低切向磁场强度H_x沿y方向的变化速率，并提升切向磁场强度H_x沿y方向的线性程度。

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